货车悬架系统的设计
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- 文献综述
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是专递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力[1]。由于悬架系统的结构在不断改进，其性能及控制技术也得到了迅速提高。虽然一百多年来汽车悬架从结构形式到作用原理一直在不断地演变，但从结构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件和导向机构的作用，麦克弗逊悬架中的减振器柱兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有弹性元件、减振器和部分导向机构的功能。其作用是传递路面作用在车轮和车架上的支承力、牵引力、制动力和侧向反力以及这些力所产生的力矩，并且缓冲和吸收由不平路面通过车轮传给车架或车身的振动与冲击，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性(乘坐舒适性)和安全性(操纵稳定性)，减少动载荷引起的零部件和货物损坏[2]。货车和客车的后悬架因所承受的载荷随汽车实际行驶时载质量的不同而差异很大，所以货车后悬架常采用并联主、副簧，即：双级钢板弹簧来实现变刚度。当汽车空载或实际装载质量不大时，副簧不承受载荷，只有主簧单独工作；当重载或满载情况下，车架相对车桥下移，使车架上的副簧滑板式支座与副簧接触，主、副簧共同工作，一起承受载荷而使悬架刚度增大，保证了车身振动频率不致因载荷增大而变化过大[3]。可以说，悬架系统是现代汽车最重要的总成之一，是汽车保证操纵稳定性、平顺性和舒适性的最重要部件。所以，悬架的设计是整个汽车设计最重要的环节之一。
1.汽车悬架的发展
在马车出现的时候，为了乘坐更舒适，人类就开始对马车的悬架一叶片弹簧进行孜孜不倦的探索。在1776年，马车用的叶片弹簧取得了专利，并且一直使用到20世纪30年代，叶片弹簧才逐渐被螺旋弹簧代替。汽车诞生后，随着对悬架研究的深入，相继出现了扭杆弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧、钢板弹簧等弹性件。1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减震的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度的调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。
半主动悬架的研究工作开始于1973年，由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出。半主动悬架以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调整，这和主动悬架极为相似。有级式半主动悬架是将阻尼分成几级，阻尼级由驾驶员根据“路感”选择或由传感器信号自动选择；无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。由于半主动悬架结构较简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有广阔的发展空间。
随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出来的。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上保持最佳的运行状态。控制装置通常由测量系统、反馈控制系统、能源系统组成。20世纪80年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制和开发这种悬架。奔驰、沃尔沃、洛特斯、丰田等在汽车上进行了较为成功的试验。装备主动悬架的汽车，在不良路面高速行驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平。其特点是乘坐非常舒适，但不同程度上存在着结构复杂、能耗高、成本昂贵、可靠性问题。
由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究起步晚，与国外的差距大。在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后期趋于成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。主动悬架虽然提出较早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20世纪90年代，仍仅应用于排气量大的豪华汽车[4]。
2.悬架系统的结构与分析
车架与车轮通过汽车前后悬架进疔弹性联接，来降低汽车高速运动对应各种路况产生的缓冲与震动，前后悬架由各类型弹簧、液压臂筒、轻质金属支撑杆件构成，利用多种机械构件来吸收和缓冲制动力、牵引力、纵向反力、垂直反力及径向切应力，综上所述的力叠加产生的力矩，使汽车在疔驶中保持平顺，在行驶途中转向时，车轮基于车架跳动，货车轮毂的行驶轨迹必须按照设计要求行进，所以货车悬挂规导了货车车轮以符合要求的轨迹相对于货车车架跳动。既要符合货车庁驶操纵的稳定性，又要求满足货车驾驶员或车厢装载货物的安全和舒适性，这就对货车前后悬挂的设计提出了较难达到的完美规范，货车良好的机械操控性能会降低货车的舒适性，而良好的舒适性使得弹簧软，货车制动“点头”急加速“抬头”和普通速度就会产生的过弯严重侧倾，会严重影响货车的转向。现在货车疔驶姿态被动的由货车前后悬挂的减振器、弹性元件、导向机 构等机械零件被动接受行驶路面的实时路况来变化，属于被动悬架，未来普及应用的货车主动悬架可以主动控制货车疔驶中的车身姿态和控制垂直振动，智能化的根据货车自身工况和实时路况进疔前后悬架刚度的自动调整[5]。
2.1 非独立悬架
2.1.1非独立式悬架简介
非独立悬架是相对与独立悬架的车轮结构。非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用...
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